隨著柔性機(jī)器人的迅速發(fā)展，人們越來越意識到，冰冷、僵硬只是我們對機(jī)器人的刻板印象。近日，國際著名期刊 SoftRobotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)與美國馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團(tuán)隊(duì)的共同研究成果，題為Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉）。

上述研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，基于氣動人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），研制出了一種新型柔性機(jī)器人。

人造肌肉

在該研究中，“氣動人工肌肉”是一個(gè)核心元素。

氣動人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場下通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

而氣動人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動進(jìn)行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來形容它再合適不過了。

實(shí)際上，由于具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結(jié)構(gòu)、與骨骼肌相似的特性，氣動人工肌肉在軟體仿生機(jī)器人、變剛度靜水骨骼等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，這類材料在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、軍事、航天、光學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，具有巨大的商業(yè)潛力。

早在 20 世紀(jì) 40 年代，科研人員就開始對這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團(tuán)隊(duì)還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當(dāng)期 Science 封面。

【氣動人工肌肉 圖源百度百科】

“仿象鼻”柔性機(jī)器人

近年來，曾有不少研究團(tuán)隊(duì)受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚、兔子等等的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出多種形態(tài)的柔性機(jī)器人。而此次哈工大研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了新型的柔性機(jī)器人。

研究團(tuán)隊(duì)指出，氣動人工肌肉運(yùn)動在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。

為此，該團(tuán)隊(duì)在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據(jù)論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成（如下圖）。

當(dāng) HE-PAMs/HC-PAMs膨脹時(shí)，將產(chǎn)生繞軸的彎曲、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使致動器產(chǎn)生螺旋變形，類似我們曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動過程。

而區(qū)分伸展還是收縮，主要取決于“編織角度”——編織角度 > 54.74 度時(shí)為HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時(shí)為 HC-PAMs（下圖 ii）。

在此基礎(chǔ)之上，研究團(tuán)隊(duì)通過一個(gè)仿象鼻的高自由度柔性臂來探索HE-PAMs/HC-PAMs在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負(fù)載能力很強(qiáng)，而 HE-PAMs 可產(chǎn)生更多的變形。

值得一提的是，這一研究提出了統(tǒng)一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性。

據(jù)了解，軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉可以廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方向，比如軟體分類機(jī)器人、搜索機(jī)器人、生物機(jī)器人、運(yùn)動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設(shè)備等等。

提升人機(jī)互動性的柔性機(jī)器人

實(shí)際上，人造肌肉材料已成為當(dāng)今研究的前沿和熱門，這與人們對柔性機(jī)器人領(lǐng)域越來越多的關(guān)注密不可分。

100 年前，捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說中，根據(jù) Robota（捷克文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波蘭文“工人”），創(chuàng)造出“機(jī)器人”一詞。100 年后，機(jī)器人不再只是僵硬、冰冷的機(jī)器，柔性機(jī)器人正進(jìn)入我們的視野，工業(yè)柔性機(jī)器人和生物柔性機(jī)器人是其主要的 2 個(gè)分支。

柔性機(jī)器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，以及良好的人機(jī)互動性。正如香港科技大學(xué)機(jī)器人研究院院長、機(jī)械及航空航天工程學(xué)系教授王煜在 2018 年世界機(jī)器人大會上所說：

相較于剛體材料而言，軟體材料互動性好很多，如果用軟體材料做出新的機(jī)器人，可能會開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

不過，想要完美地同時(shí)兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個(gè)突破口，比如中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團(tuán)隊(duì)考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。

雖然現(xiàn)階段柔性機(jī)器人領(lǐng)域仍比較“概念化”，但其應(yīng)用前景廣泛，未來必將會帶來新的變革。

關(guān)于作者

論文通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所博士生導(dǎo)師冷勁松教授。

【圖源百度百科】

1992 年起，冷勁松教授開始在哈工大開展智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的研究，主要研究方向包括智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、光纖傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)、可變翼飛行器、結(jié)構(gòu)振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)等等。

另外，冷勁松教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔(dān)任主編，在 Smart Materials & Structures 和 Journal ofIntelligent Material Systems and Structures 等國際雜志擔(dān)任副主編。2006 年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，2007 年入選長江學(xué)者特聘教授，2018 年當(dāng)選歐洲科學(xué)院物理與工程學(xué)部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。